科学家们驯服了融合设施中破坏性的等离子体不稳定性

在科学家能够捕获并重建为太阳和恒星提供动力以在地球上产生几乎无限能量的聚变过程之前，他们必须首先学会控制燃烧聚变反应的热等离子气体。在最近的一系列实验中，科学家们以一种可以导致ITER高效稳定运行的方式驯服了等离子体的不稳定性，这是法国正在建设的国际实验，以证明聚变能的可行性。这种连续操作对于未来的聚变装置是必不可少的。

融合通过融合等离子体形式的轻元素(由自由电子和原子核组成的热，带电状态)来产生大量能量，从而为太阳和恒星提供动力。科学家正在寻求在地球上复制聚变，以获得几乎无穷无尽的发电能量。

由美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的物理学家Raffi Nazikian和General Atomics的Craig Petty领导的一组研究人员开发的最新研究结果源于对DIII-D国家融合进行的实验。由General Atomics为圣地亚哥DOE运营的设施。结果建立在DIII-D科学家领导的早期工作基础之上，这些研究证明了ITER等离子体核心稳态运行所需的条件以及控制这些等离子体不稳定性的既定技术。

这项新研究的目标是在融合等离子体外围形成的称为边缘局部模式(ELM)的不稳定性。这种不稳定性可能导致周期性的热爆发，这会破坏托卡马克中面向等离子体的部件。“在这些结果中，我们观察到大型ELM的抑制，使等离子体中的小型良性ELM与稳态ITER操作所需的条件重叠，”Nazikian说，他是IAEA 核聚变科学论文的第一作者。发表调查结果的期刊。“这些新实验是成功结合两个独立进展的一个很好的例子，在这种情况下，等离子体核心中的100%电流驱动和边缘中的大型ELM抑制，以高效且有效的方式”，先前核的主要作者Petty说。关于DIII-D发现的融合论文与ITER等离子体的稳态核心有关。

为了防止大型ELM发生，研究人员产生了小的磁波纹，称为共振磁扰动(RMPs)，扭曲了托卡马克等离子体的光滑圆环形状。在最近的实验中，科学家们发现，增加等离子体的总压力可以使等离子体更好地响应波纹，从而更好地控制ELM并产生稳态ITER操作所需的条件。

较高的压力也会增加托卡马克等离子体内部形成的自生电流。这可以与粒子束和微波结合，以在所谓的稳态下无限地驱动和维持等离子体电流。这些较高的自生电流使该过程更有效，因此聚变发电厂更具吸引力。

当研究人员将最近的DIII-D结果投射到ITER时，他们发现较高的等离子体压力和自举电流以及来自粒子束和微波的额外电流源可以创建一个完全可持续的稳态系统，产生四到一个 - 功率是加热等离子体并驱动电流所需功率的五倍。这项工作的支持来自美国能源部科学办公室(FES)和由Oak Ridge Associated Universities(ORAU)管理的General Atomics博士后研究参与计划。

展望未来，物理学家寻求创造更大比例的自举电流，以增加聚变功率增益并减少驱动电流所需的额外功率。这些DIII-D实验产生约30%的自驱动电流，尽管ITER中的自举电流分数预计会增加，因为其较高的场意味着其离子碰撞较少，使得电流更容易被驱动。

“我们目前在DIII-D中正在研究的是为ITER及以后开发完全稳态高压等离子体的基础，”Nazikian说。“DIII-D计划的核心目标是确定高压等离子体可以驱动稳态反应堆所需的大部分电流的方式。我们正在对设施进行重大升级，以实现这一目标，同时探索没有危险的ELM。“